Kontrolle der Genexpression auf mrna-ebene. Abb. aus Stryer (5th Ed.)

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1 Kontrolle der Genexpression auf mrna-ebene Abb. aus Stryer (5th Ed.)

2 RNA interference (RNAi) sirna (small interfering RNA) mirna (micro RNA) Abb. aus Stryer (5th Ed.)

3 Transcriptional silencing Inhibition of translation mrna degradation Abb. aus Stryer (5th Ed.)

4 Antibiotika sind oft Inhibitoren der Genexpression Inhibitoren der Transkription Rifampicin, Actinomycin α-amanitin Inhibitoren der Translation Puromycin, Streptomycin, Tetracycline, Chloramphenicol Diphterie-Toxin Abb. aus Stryer (5th Ed.)

5 Rifamycin & Rifampicin inhibieren prokaryotische, aber nicht eukaryotische RNA-Polymerasen Rifampicin ist ein halbsynthetisches Derivat von Rifamycin B, das von Streptomyces mediterranei produziert wird. Abb. aus Stryer (5th Ed.)

6 Actinomycin D aus Streptomyces antibioticus inhibiert DNA- und RNA-Polymerasen Interkaliert zwischen Basenpaare der dsdna Abb. aus Stryer (5th Ed.)

7 α-amanitin (Amatoxine) aus Amanita phalloides (Grüner Knollenblätterpilz) Inhibiert v.a. eukaryotische RNA-Polymerase II u. III, aber nicht I, und nicht prokaryot. RNA-Polymerasen Abb. aus Stryer (5th Ed.)

8 Puromycin (inhibiert die Translation) Bindet ohne EF-Tu die A-Stelle im Ribosom und es wird ein Peptidylpuromycin gebildet. Eine weiter Transpeptidierung kann nicht stattfinden. Abb. aus Stryer (5th Ed.)

9 Chloramphenicol Bindet an die grosse Untereinheit und inhibiert die Peptidyltransferase Aktivität von prokaryotischen Ribosomen Abb. aus Stryer (5th Ed.)

10 Tetracycline Binden an die kleine Untereinheit prokaryotischer Ribosomen und verhindert die Bindung von AminoacyltRNAs. Abb. aus Stryer (5th Ed.)

11 Streptomycin Streptomycin und andere Aminoglycoside inhibieren die Initiation (bei hoher Konzentration) und verursachen bereits bei niedriger Konzentration Fehleinbau Abb. aus Stryer (5th Ed.)

12 Diphterie-Toxin (inhibiert die Translation) Diptherie-Toxin ist ein Protein aus Corynebacterium diphteriae, das in der infizierten Zelle in zwei Fragmente gespalten wird. Ein Fragment ist ein Enzym, das ADP-Ribose auf ein modifiziertes Histidin im EF-2 überträgt und dadurch EF-2 inaktiviert. Abb. aus Stryer (5th Ed.)

13 Bioenergetik & Stoffwechsel

14 Thermodynamik Erster Hauptsatz (Energie bleibt erhalten) Zweiter Hauptsatz (Entropie nimmt zu)

15 Exergone / Endergone Reaktionen

16 Freie Enthalpie, Enthalpie und Entropie ΔG = ΔH T ΔS 0 (exergone Reaktion) 0 (endergone Reaktion) ΔG ist die Änderung der freien Enthalpie bis zum Erreichen des Gleichgewichts, wenn die Konzentrationen der Reaktanten und Produkte zu Beginn der Reaktion gleich 1 mol/l sind (bei Gasen: 101,3 kpa) Kriterium für die Spontanietät einer chemischen Reaktion

17 Biochemische Standardzustand ΔGº Standardzustand (T=298K, P=101.3kPA, Konzentrationen = 1 mol/l, ph=0) ΔG º Biochemische Standardzustand (ph 7.0, [H + ]=10-7 mol/l )

18 Spontanietät einer Reaktion ΔH ΔS ΔG = ΔH - TΔS - + Die Reaktion ist sowohl seitens der Enthalpie (exotherm) als auch seitens der Entropie begünstigt. Sie läuft bei allen Temperaturen spontan (exergon) ab. - - Seitens der Enthalpie ist die Reaktion begünstigt, die Entropie wirkt aber dem entgegen. Sie läuft nur bei Temperaturen niedriger als T = ΔH/ΔS spontan ab. + + Die Reaktion ist seitens der Enthalpie gehindert (endotherm), aber entropische beguenstigt. Sie läuft nur bei Temperaturen oberhalb T = ΔH/ΔS spontan ab. + - Die Reaktion ist sowohl seitens der Enthalpie als auch Entropie gehindert (endergon). Sie läuft bei keiner Temperatur spontan ab.

19 Gleichgewichtskonstante und ΔG Die Freie Enthalpie ΔG einer chemischen Reaktion hängt von den Konzentrationen ihrer Reaktanden und Produkte ab: a A + b B c C + d D R ist die Gaskonstante (8,315 J mol -1 K -1 ) ΔG = ΔG º + R T ln [C] c [D] d [A] a [B] b tatsächlichen Konzentrationen ΔG º = - R T ln K eq im Gleichgewicht

20 Beziehung zwischen K eq und ΔG º S P ΔG º = - R T ln K eq = - R T ln [P] [S] K eq ΔG º (kj / mol)

21 Änderungen der freien Standardenthalpie sind additiv ΔG (kj mol -1 ) Glucose + Phosphat Glucose-6-Phosphat + H ATP + H 2 0 ADP + Phosphat Glucose + ATP Glucose-6-Phosphat + ADP -16.7

22 Gleichgewichtskonstanten gekoppelter Reaktionen K eq(1) = [Glucose-6-P] [Glucose][P] = mol -1 l [ADP] [P] K eq(2) = = mol l -1 [ATP] K eq(3) = [Glucose-6-P] [ADP] [P] [Glucose] [P] [ ATP] = mol -1 l

23 Der Stoffwechsel (Metabolismus) Übertragung und Speicherung von Energie

24 Der Metabolismus besteht aus vielen gekoppelten Reaktionen Katabolismus Anabolismus

25 ATP ADP Zyklus Biosynthesen Bewegung Aktiver Transport Signalverstärkung Oxidation von Brennstoffmolekülen oder Photosynthese

26

27

28 Die Freie Enthalpie der ATP-Hydrolyse in Zellen [ADP] [P] ΔG = ΔG º + R T ln [ATP] Beispiel: in Erythrocyten beträgt [ATP] = 2,25 mmol l -1 [ADP] = 0,25 mmol l -1 [P] = 1,65 mmol l -1 ΔG = J mol J mol -1 K K ln ( )( ) ΔG = J mol -1 =-51.8 kj mol -1

29 Mg 2+ Adenosintriphosphat (ATP)

30 Adenosindiphosphat (ADP) Adenosinmonophosphat (AMP)

31 Biologische Redoxreaktionen

32 Messung des Standard- Reduktionspotentials X + e - X - H + + e - ½ H 2 Negatives Reduktions- Potential: X besitzt eine geringere Elektronenaffinität als H 2

33 Bedeutung der Standard-Reduktionspotentiale Oxidierte Form (Oxidationsmittel) Reduzierte Form (Reduktionsmittel) Ein starkes Reduktions- Mittel (zb NADH) gibt leicht Elektronen ab und besitzt daher ein negatives Redoxpotental. Sauerstoff (O2) ist ein starkes Oxidationsmittel, d.h. es nimmt bereitwillig Elektronen auf und besitzt daher ein positves Redoxpotential. Änderung der freien Enthalpie: ΔG º = -nfδe º

34 Nicotinamid-adenin-dinucleotid (NAD + ) reaktive Stelle Bei der Oxidation eines Substrates nimmt das NAD + zwei Elektronen und ein Proton auf (= ein Hydridion) R = H : NAD + R = Phosphat: NADP +

35 Flavin-adenin-dinucleotid (FAD) Reaktive Stellen

36

37 Glucose Stoffwechsel

38 Glykolyse, Milchsäuregärung und alkoholische Gärung Gärung vollständige Oxidation Glykolyse

39 Glykolyse 1: Phosphorylierung von Glucose Mg 2+

40 Glykolyse 2: Isomerisierung von Glucose-6-phosphat Glucosephosphat-Isomerase Glucose-6-phosphat Glucose-6-phosphat Fructose-6-phosphat Fructose-6-phosphat

41 Glykolyse 3: Phosporylierung von Fructose-6-phosphat PFK ist ein allosterisches Enzym, das die Geschwindigkeit der Glykolyse bestimmt.

42 Glykolyse 4: Spaltung von Fructose-1,6-bisphosphat - Glycerinaldehyd- 3-phosphat (GAP)

43 Glykolyse 5: Isomerisierung von Dihydroxyacetonphosphat Triosephosphat- Isomerase - Glycerinaldehyd- 3-phosphat (GAP)

44 Struktur und Funktion der Triosephosphat-Isomerase (αβ) 8 -Barrel

45 Katalytische Mechanismus der Triosephosphat-Isomerase (1)

46 Katalytische Mechanismus der Triosephosphat- Isomerase (2)

47 Katalytische Mechanismus der Triosephosphat-Isomerase (3)

48 Zusammenfassung Vorbereitende Stufe der Glykolyse

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